市政超滤饮用水深度处理——石景山水厂超滤膜系统工程实践与经验总结

刘 丞 王天吉 谢 臣 董 冰 刘 渊 周友刚

（1.金科环境股份有限公司，北京，100102；2.北京市自来水集团石景山自来水有限公司，北京，100043）

一、工程概况

北京市自来水集团承建的南水北调配套水厂——石景山水厂于2021年9月30日正式并网通水，日设计供水规模达20万m3/d，初期日供水量3.6万m3/d，石景山部分地区市民喝上了千里之外的“南水”，并为2022年北京冬奥会供水安全再增添一道“保险”。

石景山水厂总占地面积6.1万平方米，投资10.74亿元。水厂整体工艺采用预臭氧+混凝沉淀（机械搅拌澄清池）+主臭氧+炭砂滤池+超滤+加氯消毒的工艺流程，出水水质在符合国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求的基础上，对细菌、病毒、两虫基本做到了完全隔绝和去除，在实现高品质供水的同时，提高了水厂应对突发污染风险的能力，率先实现了《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中一级城市的标准。石景山水厂的通水将有效缓解石景山区及北京中心城西部地区供水压力，进一步提升北京市城市供水的安全性，保障供水量并改善供水水质，同时可置换出大量的地下水自备井用水，对涵养严重匮乏的地下水具有重大意义，为首都社会经济的可持续发展提供坚实基础。

石景山水厂采用金科环境Inge内压式超滤膜系统，具有流程短，建设周期短，自动化操作程度高，出水水质稳定等特点。本系统以炭砂滤池出水为水源，净产水能力为20万m3/d。超滤系统从设计、建设到运营，一直秉承“安全、优质、绿色、智慧”的理念，全程运用金科环境自主知识产权的核心技术——水厂双胞胎，可以在设计、建设、运行全过程采用BIM设计/数字化手段进行管理，在实体水厂交付的同时，提供完全一致的数字水厂，同时作为未来项目运行阶段的资产管理及运行管理工具。

二、工程设计和项目实施

1.设计背景

由于之前石景山地区没有大型水厂，加之地势较高，区域供水主要依靠抽取地下水和中心城区输水进行保障。随着石景山地区产业升级改造，居民生活用水和公共用水量迅猛增长。为满足区域经济快速发展的用水需求，自来水集团加快推进石景山水厂建设，如期实现通水。随着饮用水水质要求越来越严格，市政给水处理中对于浊度、细菌、病毒、耐氯微生物-贾第鞭毛虫、隐孢子虫等的去除率有了更高的要求；而传统的水处理技术无法满足这些水质要求，或者需要的工艺更加复杂，要求较大的占地面积和较高的投资。超滤膜技术是解决市政饮用水深度处理问题的理想手段。首先，超滤膜在工艺末端中起到绝对的屏障作用，处理后的水质好，出水浊度稳定小于0.1NTU，SDI稳定小于3，出水颗粒计数检测值（≥2μm颗粒数）≤50个/mL。其次，超滤膜可以非选择性地滤除病原体，细菌去除率＞6log，病毒去除率＞4log。最重要的是超滤工艺是物理处理方法，相较于传统臭氧氧化工艺，超滤工艺没有消毒或氧化副产物，安全性更好。

2.设计参数

2.1设计水质（见表1）

表1 设计出水水质表

2.2工艺流程（见图1）

图1 金科环境石景山水厂工程超滤膜系统

2.3设计参数

①超滤预处理

超滤预处理分为2个系列，每个系列设自清洗过滤器4台（3用1备），单台过滤流量为1800m3/h，过滤器精度200um。自清洗过滤器进水泵6台（4用2备），单台流量为2600 m3/h，扬程为27m，功率为250Kw。

②超滤系统

超滤系统分为2个系列，每个系列设超滤装置10套，单套产水量为417 m3/h，每套装置配超滤膜140支。超滤膜公称孔径为0.02um，每支膜有效面积为80m2。在超滤装置前端设置管道静态混合器，通过机械隔膜泵投加絮凝剂（10%聚合氯化铝溶液）。PAC计量泵3台（2用1备），单台流量为100L/h，扬程为3.0bar，功率为0.37Kw。微絮凝仅作为应急性投加使用，常规过滤不投加絮凝剂。

超滤反洗水泵3台（2用1备），单台流量为2500 m3/h，扬程为29m，功率为250Kw。反洗过滤器2台，单台流量为2250 m3/h，过滤精度300um。在超滤反洗管道设置静态混合器，通过气动隔膜泵投加杀菌剂（10%次氯酸钠溶液）、酸（30%柠檬酸溶液）、碱（30%NaOH溶液）。杀菌剂计量泵3台（2用1备），单台流量为3000L/h，扬程为3.5bar。柠檬酸计量泵3台（2用1备），单台流量为8500L/h，扬程为3.5bar。碱计量泵3台（2用1备），单台流量为3000L/h，扬程为3.5bar。

③中和外排系统

超滤加药反洗废水排入中和水池，废水有一定的酸碱性和氧化性。通过计量泵加入柠檬酸溶液和NaOH溶液来调节废水的pH，当pH满足6～9时，停止加柠檬酸溶液或NaOH溶液（中和加药装置同超滤反洗柠檬酸溶液、NaOH溶液加药装置共用）。废水的氧化性通过计量泵加入还原剂溶液来调节，控制氧化还原电位小于300mv即可外排。还原剂计量泵3台（2用1备），单台流量为1100L/h，扬程为3.5bar。中和水外排泵2台（1用1备），单台流量为370 m3/h，扬程为15m，功率为22Kw。

2.4 BIM设计

本项目在实施阶段采用BIM设计，即建筑信息模型，以三维数字技术为基础，将水厂本身及水厂建造过程三维模型化和数据信息化。

通过BIM技术的采用，可实现设计阶段的协同设计、可视化设计、管线综合设计，并进行工程量的统计以及成本控制。同时，在施工阶段可进行施工场地分析、可视化施工交底、施工模拟及施工安全管理，将设计与施工的衔接过程可视化、智能化，减少人为失误，保证施工质量与工期。水泵间BIM施工设计效果图（见图2），超滤膜车间设备布置BIM施工设计效果图（见图3），超滤膜车间管廊层管道布置施工设计效果图（见图4）

图2 水泵间BIM施工设计效果图

图3 超滤膜车间设备布置BIM施工设计效果图

图4 超滤膜车间管廊层管道布置施工设计效果图

以BIM设计模型为基础，可衍生出实体水厂的数字双胞胎，即数字水厂，实时显示超滤系统运行数据，并对系统运行状态进行评估，根据目前检测数据预测系统可能出现的故障和建议预防措施，从而简便运营维护。

2.5水厂双胞胎技术

“水厂双胞胎”是由金科环境开发的数字化项目管理平台，可以在向客户交付实体水厂的同时，提供数字水厂。“水厂双胞胎”融合了工程项目的设计数据、实施过程数据和运行数据，记录了实体水厂从无到有的发展历程，以及实时运行状态，实现了实体水厂的数字化模拟，为实体水厂的资产管理、远程监测、运行智慧化提供了数字化工具。

3.调试与运行

3.1管道冲洗及检测

石景山水厂调试期间因为水量受限，最终采用“分批次”冲洗方式，充分合理的利用水源。冲洗顺序为：第一步，冲洗超滤进水和产水管，冲洗水进入清水池和反洗水池，作为清洗水池用水；第二步，冲洗超滤反洗进水和排水管，冲洗水返回前端集水池；第三步，冲洗超滤化学清洗管，冲洗水返回前端集水池；最后利用压缩空气冲洗超滤膜架本体管道。冲洗水量消耗及效果对照见表2。

表2 冲洗水量消耗及效果对照表

冲洗管道过程实现了“零排水”即将管道及设备冲洗干净的效果，得到了业主的认可。

3.2超滤膜冲洗及检测

石景山水厂有20套超滤设备，共 2800支超滤膜元件，每支膜元件内含有一定量的医用级甘油保护液，正式使用前需要将其冲洗干净。因调试初期没有足够水源补给，为不耽误投产日期，经过计算和分析，利用化学清洗水箱，采用“单组浸泡+循环冲洗”的模式，对超滤膜元件进行冲洗，并观察冲洗效果。

甘油与水可以任意比例互溶，因其是多羟基化合物，所以溶于水后显还原性。根据GB5750-2006《生活饮用水标准检验方法》中的“耗氧量-酸性高锰酸钾滴定法”用于检测水中还原性物质的浓度，所以该方法可以表征出水中甘油的含量（排除甘油外的还原性物质影响）。根据上述方法检测膜组浸泡、冲洗后的COD数值来判定甘油保护液冲洗效果（已知原水中COD值＜3mg/L，见表3）。

表3 冲洗效果表

超滤膜冲洗完成后至首次投运期间，为避免膜内滋生细菌堵塞膜丝，需定期置换膜壳内存水。为减少运营人员的置换操作强度，自控工程师在上位操作程序中增加了 “一键换水”程序，整个操作过程全自动运行，置换后的排水返回厂区前端集水池，循环利用达到降本增效的目的，得到业主的一致好评。

3.3系统运行

超滤系统于2021年3月9日进行调试，两个系列同时进水，进水pH值为8.0左右，温度为20℃左右，瞬时产水通量为44L/(m2·h)，采用全流过滤的运行方式。经过7天的调试，超滤装置出水浊度稳定，运行数据见表4和图5。细菌、病毒等去除率满足性能要求，运行数据见表4。

表4 浊度运行数据表

图5 工艺段浊度变化趋势图

超滤系统连续运行数据表明，该系统运行稳定，最终出水水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）、《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中的一级城市的标准中的要求。

表5 微生物指标数据表

三、金科环境超滤膜系统特色及优势

1、双PID调节系统进水量实现恒流运行，使系统运行更稳定，更节能，更高效。

通过每套超滤膜堆的进水调节阀的百分比开度信号（4～20mA信号）、超滤供水泵的运行赫兹数变频调节这两点的模拟量输出与每套超滤进水电磁流量计的设定值进行双向匹配实时调整，来达到多套超滤膜堆的均匀配水以及整体系统的恒流供水。根据供水量要求和超滤套数的匹配，给定单套超滤给水流量的设定值，与单套进水电磁流量计测量的实时当前值进行比较，根据比较结果，在控制器中进行比例（P）和积分（I）运算，将控制数据（4～20mA信号）输出至超滤供水泵变频器，变频器根据接收到的控制电流，调整输出频率，当实际值小于设定值，控制电流增大，变频器频率增加，给水流量随之增大；当实际值大于设定值时，控制电流减小，变频器频率降低，流量随之减小。变频器输出频率调整的幅度可以通过调整比例（P）和积分（I）的数值得以改变。当控制电流超出最大值和最小值范围时，控制器直接输出最大值或最小值。当控制器切换到手动控制状态时，可以人工输入控制数据，使变频器在固定频率下运行，此时运行流量将保持恒定值。

2、结合工程经验，充分考虑潜在风险，设置超滤进水微絮凝装置应对突发状况。

当初期调试、炭砂滤池更换填料或滤池出水水质恶化时，超滤系统进水可能存在有机物、胶体增高的风险，炭砂滤池出水可能含有的细小炭粒也会堵塞超滤膜。由于超滤膜有绝对屏障的过滤作用，在超滤膜的实际运行中，微小的颗粒更易堵塞膜过滤孔。在这种情况下，可以采用超滤进水微絮凝加药的方式，通过絮凝剂的物理化学作用，使小颗粒增长成大颗粒，从而降低对膜丝影响。

3、内压式超滤在大型市政饮用水深度处理项目应用中表现出色，系统运行稳定。

本系统超滤膜选用国际知名品牌滢格，为多孔超滤膜，由七根具有相同内径的膜束组成为一根膜丝，与单孔膜丝相比，多孔超滤膜具有明显的强度优势，确保在膜元件寿命期内，产水量能满足设计的要求。多孔膜丝采用专利生产技术，材质选用性能最佳的改性聚醚砜（PES），一步成型。多孔膜丝是“一体式”结构，无分层。 “一体式”膜丝不会产生分层剥离的现象，这也是该超滤膜的最大优势之一；另外，PES材质具有更高的亲水性能。亲水性能越好，膜丝表面越不容易吸附有机物，因此耐污染性能越好。超滤膜的膜孔径为0.02μm,可彻底去除悬浮物、胶体、病毒和细菌等，其中对病毒的去除率达到4log，对细菌的去除率可达到6log，膜出水SDI≤3。

超滤膜组件采用独特的水力优化设计，在内部膜丝和外壳间采用打孔的集水环式集水结构。集水环的设计与中心管式结构不同，在过滤及反洗时，可以使膜断面及长度方向的水流分布更加均匀，反洗和过滤时的水流速度更加平稳、水力分布更加均匀，也就是说，膜组件内的每根膜丝具有近乎一致的产水性能，反洗流速分布更加均匀，膜组件具有更好的过滤及反洗效果，不但运行压差低，而且常规的水反洗就能清洗干净，减少CEB维护性化学清洗及CIP恢复性化学清洗的频率，大大延长膜的使用寿命。超滤组件结构设计易于更换、安装和增容，膜支架和膜元件拆装灵活，使膜系统的安装和维护更简便。超滤膜组件结构独特，运行操作灵活。可采用死端或错流过滤模式，过滤及膜清洗可采用“顶部至底部”及“底部至顶部”的进水模式。

超滤系统回收率≥97%，同时保证超滤膜系统在最不利的工况条件下（冬季水温1℃）具有不低于20万m3/d的产水能力，同时膜系统的进出水管路及连接管路、供水泵、预处理自清洗过滤器、阀门等能满足总能力24万m3/d的供水规模，保障饮水供应。

4、膜车间采用分层设计，布置风格令人耳目一新。

本系统采用立式膜组件系统集成度高，每根膜组件独立垂直安装，检修维护方便，系统容易排气，可以自动进行完整性检测。

膜堆层和管廊层上下分层设计。膜车间内仅展示膜堆部分，膜元件整齐排列，外观简洁大方。管廊操作层位于膜堆层之下，阀门、管道、连接件、仪表等集中分布在此层，便于系统的日常维护与检修。另外，上下分层设计的水力分配更科学合理，系统各个部位的膜元件内外压工况统一均等。此设计便于标准化和模块化，在品质、性能和性价比方面均拥有优势。（见图6、图7）

图6 金科环境石景山水厂200,000m3/d超滤膜车间

图7 金科环境石景山水厂管廊层

5、新材料的应用，性价比更高。

金科环境研发团队经过大量的实验，开发出具有自主知识产权HDPE（高密度聚乙烯）集成管道系统加工制造技术，率先将HDPE集成管道应用在膜处理系统，进一步提升了膜系统的性价比。HDPE耐强酸、强碱性能高于不锈钢。此外HDPE管道表面光滑、摩擦系数小，故水力损失小，可降低膜滤系统的运行能耗。

6、全厂使用数字软件，实现“智慧”水务。

金科环境自主研发的“水厂双胞胎”管理平台是一种Online to Oラ ine（线上线下）的三级智能系统，从三个不同层次为用户提供服务：在移动端实时在线地监控水厂运行状况；定期采用智能软件对储存在云端的数据进行分析，提供运行建议，优化运行参数；随时采用视频通讯，由金科环境技术专家指导系统的运行维护。

四、经验总结

石景山水厂采用先进的水处理工艺，构建了多级工艺屏障确保供水安全。由金科环境设计并承建的超滤膜车间，设备布置简洁美观，阀门仪表操作简便，保养维修方便，程序控制自动化程度高，系统产水水质好，运行稳定。

注释：SDI：污染指数SDI（Silt Density Index）值，也称之为FI（Fouling Index）值，是水质指标的重要参数之一。它代表了水中颗粒、胶体和其他能阻塞各种水净化设备的物体含量。

log：通常用微生物数量的对数来表示其去除率。例如：6log表示微生物数量去除率为0.999999；4log表示去除率为0.9999。